(57)【要約】【課題】  燃料電池における冷媒による腐食によって発生する冷媒の汚染の防止、およびその汚染による短絡回路の形成の防止を、冷却効果の低下なしに、しかも低コストで実現する技術を提供することを目的とする。【解決手段】  単位発電セル３１および３２を貫通する冷媒供給用連通孔１６の内面およびセパレータの冷媒経路への冷媒導入部分の内面を絶縁し、絶縁被覆２１と絶縁部３４を形成する。この構造において、冷媒供給用連通孔１６内の冷媒の１単位発電セル当たりの液抵抗を１．５〜３０ｋΩとし、絶縁部３４に起因する液抵抗を０．２〜１５ＭΩとする。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に冷媒経路を形成したセパレータを備えた単位発電セルと、
前記単位発電セルを貫通して設けられ、内面が絶縁被覆された冷媒供給用の冷媒連通孔および冷媒排出用の冷媒連通孔と、
前記冷媒供給用の冷媒連通孔から前記冷媒経路に冷媒を導入するための冷媒導入部分と前記冷媒排出用の冷媒連通孔に前記冷媒経路から冷媒を排出するための冷媒排出部分との間に設けられ、内面が絶縁被覆された絶縁部と
を備え、
前記単位発電セル当たりにおける前記冷媒供給用の冷媒連通孔の液抵抗が１．５〜３０ｋΩであり、
前記絶縁部における液抵抗が０．２〜１５ＭΩであることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
表面に冷媒経路を形成したセパレータを備えた単位発電セルと、
前記単位発電セルを貫通して設けられ、内面が絶縁被覆された冷媒供給用の冷媒連通孔および冷媒排出用の冷媒連通孔と、
前記冷媒供給用の冷媒連通孔から前記冷媒経路に冷媒を導入するための冷媒導入部分と前記冷媒排出用の冷媒連通孔に前記冷媒経路から冷媒を排出するための冷媒排出部分との間に設けられ、内面が絶縁被覆された絶縁部と
を備え、
前記冷媒供給用の冷媒連通孔の両端間における液抵抗Ｒ１と前記絶縁部における液抵抗Ｒ２とが、（Ｒ１／Ｒ２）＝０．１〜３の関係を満たすことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
前記絶縁部は、前記冷媒導入部分および／または前記冷媒排出部分に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記冷媒の導電率が１０μＳ／ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記単位発電セルが５０以上積層されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の冷却技術に係り、冷媒の汚染を防ぐ技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、電池反応により発生する熱を除去するために、燃料電池内に冷媒を流す構造となっている。この構造では、単位燃料電池（セル）およびセパレータが積層された燃料電池において、セルおよびセパレータの積層面の同一箇所に積層方向に貫通する同一形状の貫通孔が形成されている。そして、この連通孔はセルを分離するセパレータの表面に設けられた冷媒流路につながっており、この連通孔に冷媒を流すと、セパレータの冷媒流路に冷媒が流れ、セパレータが冷却される。これにより、固体高分子型燃料電池の冷却が行われる。
【０００３】
固体高分子型燃料電池は、セルが多数積層され、生成する電圧を稼ぐ構造になっているので、上述した連通孔を介して電位の異なる部材が存在する構造となる。このため、冷媒には、電気絶縁性が要求される。仮に冷媒に許容できない導電性があると、冷媒を介した短絡回路が形成され、電池としての機能が損なわれる。
【０００４】
また冷媒には、上述した高い絶縁性と共に、幅広い温度領域（−３０℃〜１５０℃前後）に対応できる温度特性が要求される。自動車用の燃料電池では、電気絶縁性の観点から、冷媒として純水を用いることが望ましいが、不凍性の観点からエチレングルコールの純水希釈液等を用いるのが一般的である。
【０００５】
セパレータに金属材料を用いた場合、腐食によりセパレータから不純物イオンが冷媒中に漏出する。このため、冷媒として絶縁性の高い物質を用いた場合であっても、ある程度の使用時間が経過すると、冷媒の汚染によって冷媒の絶縁性が低下する。このため、冷媒を介した被冷却部材間の電気絶縁性が問題となる。
【０００６】
冷媒を介して存在する被冷却部材間の電気絶縁性を確保する技術として、特許文献１に記載された技術が知られている。この技術では、積層構造を貫通する連通孔、およびセパレータに設けられた冷媒経路の内面（冷媒に接触する表面）にゾル−ゲル法により絶縁性の被覆をコーティングし、電気絶縁性を確保する技術である。
【０００７】
また、上記特許文献１に記載された技術とは異なるアプローチとして、特許文献２に記載された技術が知られている。この技術は、冷媒である冷却水と接触する部分に、電気を加えると冷却水中のイオンが吸収されたり放出されたりする材料を配置し、冷却水の電位が接触する部分の電位と大きく隔たらないようにする方法である。
【０００８】
【特許文献１】特開平７−２３０８１８号公報
【特許文献２】特開２００１−２９７７８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に記載の冷媒経路に絶縁被覆を形成する方法は、絶縁被覆の熱伝導性が劣るために、冷媒を用いた熱交換効率が低下し、冷却効果の低下を招く問題があった。また特許文献２に記載の技術は、装置が複雑になり、また高価な部材を使用しなければならず、高コストであるという問題があった。
【００１０】
本発明は、燃料電池における腐食に起因する冷媒の汚染の防止、およびその汚染による短絡回路の形成の防止を、冷却効果の低下なしに、しかも低コストで実現する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の燃料電池は、表面に冷媒経路を形成したセパレータを備えた単位発電セルと、前記単位発電セルを貫通して設けられ、内面が絶縁被覆された冷媒供給用の冷媒連通孔および冷媒排出用の冷媒連通孔と、前記冷媒供給用の冷媒連通孔から前記冷媒経路に冷媒を導入するための冷媒導入部分と前記冷媒排出用の冷媒連通孔に前記冷媒経路から冷媒を排出するための冷媒排出部分との間に設けられ、内面が絶縁被覆された絶縁部とを備え、前記単位発電セル当たりにおける前記冷媒供給用の冷媒連通孔の液抵抗が１．５〜３０ｋΩであり、前記絶縁部における液抵抗が０．２〜１５ＭΩであることを特徴とする。
【００１２】
本発明において、単位発電セルにおける冷媒連通孔の液抵抗は、単位発電セル１つ当たりにおける内面が絶縁被覆された冷媒連通孔内の冷媒が示す電気抵抗である。この冷媒連通孔の液抵抗は、セル厚に比例し、冷媒の導電率および冷媒連通孔の断面積に反比例する。通常、冷媒連通孔の液抵抗は、単位セルにおける冷媒連通孔の長さ（セル厚）、冷媒連通孔の断面積、冷媒の導電率から算出される。冷媒連通孔の液抵抗を調整するには、冷媒連通孔の長さ（セル厚）、冷媒連通孔の断面積、冷媒の導電率の３つのパラメータの組み合わせを調整すればよい。
【００１３】
絶縁部は、セパレータに形成された冷媒経路への冷媒導入部分と、冷媒経路からの冷媒排出部分との間に設けられる。絶縁部は、冷媒と接する部分を絶縁被覆することで構成される。絶縁部の位置は任意であるが、例えば、冷媒導入部分と冷媒排出部分に絶縁被覆した部分を設け、その絶縁被覆された部分の長さ（この長さを沿面距離という）を調節することで、液抵抗を確保する構成を挙げることができる。この場合、冷媒経路には絶縁部は形成せず、冷媒経路の両端付近に絶縁部を形成することで、冷媒の冷却効率を低下させることなく、所定の液抵抗を確保することができる。
【００１４】
絶縁部が示す液抵抗は、冷媒の流路に沿った絶縁部の長さと冷媒の導電率に比例し、絶縁部における流路の断面積に反比例する。上記絶縁部における液抵抗を調整するには、これら３つのパラメータの組み合わせを調整すればよい。
【００１５】
本発明においては、冷媒に接する面に絶縁被覆処理を施した部分を連通孔と冷媒導排出部間に設けることで、これらの部分が示す液抵抗の抵抗分により、冷媒を介して流れる腐食電流を抑制する。すなわち、腐食電流は、燃料電池で生成される電圧をドライビング・フォースとして生じるのであるが、絶縁部分における冷媒が示す液抵抗を適当に確保することで、非絶縁部分に流れる腐食電流を抑制するのである。この際、連通孔の絶縁部分が示す液抵抗を積極的に利用することで、冷媒導排出部間のみでこの液抵抗の確保を行おうとする場合に問題となる発電効率の低下を抑えることができる。
【００１６】
つまり本発明では、積層されたセルを貫通し、冷媒を各セルに供給分配するための通路である連通孔の内面を絶縁被服で覆い、その部分が示す液抵抗を腐食電流の抑制に利用する。すなわち、内面を絶縁被覆した連通孔の１セル当たりの液抵抗を所定の範囲とすることで、腐食電流の抑制作用を連通孔における液抵抗にも負担させ、それによりセパレータの冷媒導排出部間の絶縁部が負う腐食電流の抑制作用の負担を軽減する。こうすることで、冷媒導排出部間に形成される絶縁被覆された部分の長さ（沿面距離）をあまり大きくすることなく腐食電流の抑制を行うことができる。そのため、非発電部の面積を小さくすることができ、セパレータの非絶縁部の防食と燃料電池の発電効率の追求とを両立させることができる。
【００１７】
本発明において絶縁部は、冷媒導入部分および／または冷媒排出部分に設けられていることは好ましい。この態様によれば、セパレータの冷媒経路への冷媒導入部分と、そこからの冷媒排出部分に電気絶縁被覆を形成し、冷媒経路には電気絶縁被覆を形成しないので、冷媒による冷却効果の低下を抑えることができる。また、電気絶縁のための被覆は、シリコーンゴム等の被覆によるものでよいので、低コストで実現することができる。
【００１８】
本発明において、冷媒の導電率は極力低い方が好ましく、できれば１０μＳ／ｃｍ以下であることが好ましい。冷媒の導電率が１０μＳ／ｃｍを越えた値となると、冷媒を介して流れる腐食電流の影響が大きくなり、本発明の液抵抗の設定による腐食電流の抑制効果が小さくなってしまう。
【００１９】
次に１セル当たりの連通孔の液抵抗の下限について説明する。連通孔の液抵抗が通常の導体と同程度である場合、冷媒を介してセル同士が短絡することになるから、１セル当たりの連通孔の液抵抗は、ある程度以上の値が必要となる。この１セル当たりの連通孔の液抵抗の下限は、後述するように１．５ｋΩ程度とすることが好ましい。１セル当たりの連通孔の液抵抗が１．５ｋΩを下回ると、連通孔の液抵抗による効果が小さくなり好ましくない。
【００２０】
１セル当たりの連通孔の液抵抗の上限には、以下のような臨界的な意味がある。すなわち、１セル当たりの連通孔の液抵抗は、高ければ高い程、冷媒の絶縁性という観点からは好ましいのであるが、ある程度以上大きくなると、腐食を抑制する効果は飽和傾向を示す。また、１セル当たりの連通孔の液抵抗を大きくするには、連通孔の断面積を減少させれば良いのであるが  そうすると各セルに流れる冷媒の流量を制限することになる。このことは、多数のセルを積層した構造において、各セルに均等に冷媒を分配することが困難になることを意味する。また、１セル当たりの連通孔の液抵抗を大きくするには、セル厚を大きくし、連通孔の長さを長くする方法もあるが、そうすると燃料電池が大型化および高重量化し好ましくない。
【００２１】
また、冷媒の導電率を低くすることで、液抵抗を確保することもできるが、燃料電池の構成材料からの電食によらないコンタミ成分の溶出による冷媒の導電率のある程度の上昇は実際上避けられない。そのため、冷媒の初期の導電率をむやみに下げることによる液抵抗の確保は、長期的にみて維持困難であり、実用性に乏しい。このような理由により、１セル当たりの連通孔の液抵抗の上限は、３０ｋΩ程度とすることが適当となる。
【００２２】
単位セルにおけるセパレータ部分の冷媒導入部と排出部との間の液抵抗が０．２ＭΩを下回ると、冷媒の導電率に著しい上昇が発生する。これは、液抵抗の低さに起因して流れる腐食電流によって、セパレータを構成する材料の腐食の進行が助長され、それに従い冷媒中における金属イオンの濃度が上昇するためである。
【００２３】
単位セルにおけるセパレータ部分の冷媒導入部と排出部間の液抵抗の上限は、１５ＭΩ程度とすることが好ましい。これは、セパレータ部分の冷媒導入部と排出部間の液抵抗が１５ＭΩより高くなると、腐食電流の抑制効果が飽和傾向を示し、さらに絶縁部の確保に従う発電領域の減少により発電効率の低下が顕在化するからである。
【００２４】
以下、発電領域を確保できなくなることによる発電効率の低下について説明する。セパレータ部分の冷媒導入部と排出部間の液抵抗を確保するには、冷媒導入部と排出部との間に液抵抗を確保するための所定の長さ（この長さを沿面距離という）を確保した絶縁部を設ける必要がある。この絶縁部では、内面が絶縁被覆されるので、冷媒による冷却効果が低下する。そのため、この絶縁部が設けられた領域は、非発電領域とせざるを得ない。そのため、液抵抗を確保するために、沿面距離を長くした場合、セパレータの非発電面積を大きくしなければならず、発電効率が低下することになる。
【００２５】
以上説明したように、１セル当たりの連通孔の液抵抗は、１．５〜３０ｋΩが適当であり、単位セルのセパレータ部分の冷媒導入口と排出口間の液抵抗は、０．２〜１５ＭΩが適当となる。
【００２６】
本発明の燃料電池の他の構成は、表面に冷媒経路を形成したセパレータを備えた単位発電セルと、前記単位発電セルを貫通して設けられ、内面が絶縁被覆された冷媒供給用の冷媒連通孔および冷媒排出用の冷媒連通孔と、前記冷媒供給用の冷媒連通孔から前記冷媒経路に冷媒を導入するための冷媒導入部分と前記冷媒排出用の冷媒連通孔に前記冷媒経路から冷媒を排出するための冷媒排出部分との間に設けられ、内面が絶縁被覆された絶縁部とを備え、前記冷媒供給用の冷媒連通孔の両端間における液抵抗Ｒ１と前記絶縁部における液抵抗Ｒ２とが、（Ｒ１／Ｒ２）＝０．１〜３の関係を満たすことを特徴とする。
【００２７】
上記他の構成において、冷媒連通孔の両端間における液抵抗Ｒ１というのは、単位発電セルが複数積層された構造において、単位発電セル１つあたりの連通孔が示す液抵抗と単位発電セルの数との積として定義される。
【００２８】
上記他の構成によれば、冷媒連通孔の内面に絶縁被覆を施し、各セルの冷媒連通孔が示す液抵抗の積算値Ｒ１を各セルのセパレータの絶縁部が示す液抵抗Ｒ２と同程度とすることで、絶縁部が負担する電圧降下機能の負担を低減させることができる。これにより、絶縁部を確保するための沿面距離を抑えることができ、各セパレータ部分における冷却有効面積を大きく確保でき、絶縁部を設けることによる発電効率の低下を抑えることができる。
【００２９】
Ｒ１／Ｒ２の値は、０．１〜３の関係を満たすようにする設定することが適当である。Ｒ１／Ｒ２の値が０．１を下回ると、冷媒連通孔が負担する電圧降下作用の効果が小さくなり、それにより絶縁部の負担が大きくなり、絶縁部の沿面距離を大きく確保しなければならなくなるので、好ましくない。
【００３０】
Ｒ１／Ｒ２の値を大きくするには、Ｒ１の値を確保するために、冷媒連通孔の断面積を小さくするか、冷媒の導電率を小さくする必要がある。しかしながら、前述したように冷媒連通孔の断面積を小さくすることは、冷媒の供給量の減少を招き、また冷媒の導電率を小さくすることには限界がある。また、Ｒ１／Ｒ２の値を大きくするために、Ｒ２を小さくすることも考えられるが、セパレータの冷媒経路の導排出部間に設けられた絶縁部が示す液抵抗をあまり小さくすることは、腐食電流の抑制効果を得る観点から好ましくない。したがって、Ｒ１／Ｒ２の値は、３を越えない程度に収めることが好ましい。
【００３１】
以上説明した発明は、単位発電セルが５０以上積層された構造の燃料電池に適用される場合に特に有用となる。後述するように、本発明は、多数積層されたセルを貫通する冷媒連通孔の積算液抵抗（各セル当たりの液抵抗の積算値）を利用し、冷媒を介して高電位側に位置するセルに加わる電圧を抑制し、それにより高電位側のセルにおいて顕著になる腐食電流を抑えている。したがって、セルをある程度の数積層していった場合に、その効果が顕著になる。後述するように、セルの積層数が５０を越えたあたりから腐食電流の抑制効果が表れ、セルの積層数が１００を越えると、その効果が特に顕著になる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、冷媒を介してセパレータの絶縁被覆されていない部分に加わる電圧を低下させることができ、それにより腐食電流を抑制し、腐食の進行を抑えることができる。これにより、冷媒の汚染を防止することができ、さらに冷媒の汚染による短絡回路の形成を防止できる。また、上記効果を冷媒による冷却効果を低下させることなしに低コストで得ることができる。
【００３３】
また、セパレータの腐食を抑制できるので、セパレータの板厚の減少、セパレータの強度の低下を抑制することができる。特に、腐食電流を抑制できるので、金属系のセパレータを採用した場合におけるセパレータからの金属イオンの溶出を抑えることができ、金属イオンの影響による冷媒の導電率の著しい上昇、金属イオンの影響による電解膜のイオン交換量の減少に従う発電能力の低下を抑えることができる。
【００３４】
また、単位発電セル当たりにおける冷媒連通孔が示す液抵抗の範囲とセパレータに形成された冷媒経路への冷媒導排出部間が示す液抵抗の範囲との組み合わせを最適化することで、セパレータの非発電部の面積を大きくすることなく、防食効果を得ることができる。つまり、セパレータの腐食を防止しつつ、燃料電池の発電効率の低下を最低限に抑えることができる。
【００３５】
また複数のセルが積層された構造の燃料電池において、複数のセルを貫通する連通孔の内面を絶縁被覆し、連通孔の両端間の液抵抗Ｒ１をセパレータの冷媒経路につながる流路に形成された絶縁部が示す液抵抗Ｒ２と同程度（具体的には、（Ｒ１／Ｒ２）＝０．１〜３程度）とすることで、高電位側に位置するセルにおける腐食電流を低減することができ、それによりセル構成材料の腐食を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
１．実施形態の構成
まず、実施形態の概略の構造について説明する。図１は、実施形態の燃料電池を構成する単位発電セルの断面構造を示す断面図である。図２は、セパレータの構造を示す平面図である。単位発電セル３１は、アノード側セパレータ（負極側セパレータ）２とカソード側セパレータ（正極側セパレータ）３との間にＭＥＡ(Membrane Electrode Assembly)１を挟み込んだ構造を有している。
【００３７】
ＭＥＡ１は、電解質の膜の両面に電極を張り合わせた構造を有し、膜電極接合体とも呼ばれている。図１には、単位発電セル３１と積層される隣の単位発電セルのカソード側セパレータ３も示されている。燃料電池は、図１に示す単位構造を繰り返し積層することで、必要な電圧が確保される。なお、符号３０は、ガスのリークを防止するガスケットである。
【００３８】
アノード側セパレータ２の発電面（ＭＥＡ側の面）には、水素を供給する燃料ガスを流すための溝１１形成され、冷媒面（ＭＥＡ側と反対の面）には、冷媒を流すための溝１９が形成されている。また、カソード側セパレータ３の発電面には、酸化剤となるガスを流すための溝１８が形成され、冷媒面には、冷媒を流すための溝２０が形成されている。
【００３９】
また、単位発電セル３１のアノード側セパレータ２に形成された溝１９と、隣の単位発電セルのカソード側セパレータ３に形成された溝２０とが合さって冷媒経路４が形成される。この冷媒経路４に流れる冷媒によって、単位発電セル３１のアノード側セパレータ２と、隣の単位発電セルのカソード側セパレータ３が冷却される。
【００４０】
アノード側セパレータ２およびカソード側セパレータ３には、連通孔１２〜１５が形成されている。これらの孔は、単位発電セルが積層された構造において、各セルを貫く連通孔となる。
【００４１】
すなわち、図２に示す符号１２は、単位発電セル３１を多層に積層し構造において、各単位発電セルのアノード側セパレータ２の溝１１に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給用連通孔である。符号１３は、単位発電セル３１を多層に積層した構造において、各単位発電セルのアノード側セパレータ２の溝１１から排出される未反応の燃料ガスを集めて燃料電池の外に排出するための燃料ガス排出用連通孔である。符号１４は、単位発電セル３１を多層に積層した構造において、各単位発電セルのカソード側セパレータ３の溝１８に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給用連通孔である。符号１５は、単位発電セル３１を多層に積層した構造において、各単位発電セルのカソード側セパレータ３の溝１８から排出される未反応の酸化剤ガスを集めて燃料電池の外に排出するための酸化剤ガス排出用連通孔である。
【００４２】
また、図２に示す符号１６は、単位発電セル３１を多層に積層した構造において、各単位発電セルのアノード側セパレータ２の溝１９に冷媒を供給するための冷媒供給用連通孔である。符号１７は、単位発電セル３１を多層に積層した構造において、各単位発電セルのアノード側セパレータ２の溝１９から排出される冷媒を集めて燃料電池の外に排出するための冷媒排出用連通孔である。なお、冷媒供給用連通孔１６は、カソード側セパレータ３の冷媒面においても溝２０に冷媒を供給し、また冷媒排出用連通孔１７は、溝２０から冷媒を回収する構造となっている。
【００４３】
冷媒供給用連通孔１６の内面の全面には、絶縁被覆２１が形成されている。また、冷媒排出用連通孔１７の内面の全面にも絶縁被覆２２が形成されている。
【００４４】
またアノード側セパレータ２の冷媒面において、冷媒供給用連通孔１６から冷媒経路を構成する溝１９への冷媒導入部分、および溝１９から冷媒排出用連通孔１７への冷媒排出部分において、溝１９の内面に絶縁被覆２３、２４が形成されている。また、カソード側セパレータ３の冷媒面においても、冷媒供給用連通孔１６から冷媒経路を構成する溝２０への冷媒導入部分、および溝２０から冷媒排出用連通孔１７への冷媒排出部分において、溝２０の内面に絶縁被覆２５、２６が形成されている。これら絶縁被覆によって、所定の沿面距離を有した絶縁部が得られる。
【００４５】
この構造についてより詳細に説明する。図３は、単位発電セルを２つ積層した構造の断面を示す図である。図３には、図１と異なり、冷媒供給用連通孔１６部分の断面構造が示されている。
【００４６】
図３には、同じ構造を有する単位発電セル３１および３２が示されている。図３に示されるように、単位発電セル３１のカソード側セパレータ３と単位発電セル３２のアノード側セパレータ２とが重ねられる。そして、単位発電セル３１のカソード側セパレータ３の冷媒面に形成された溝２０と、単位発電セル３２のアノード側セパレータ２の冷媒面に形成された溝１９とが合致して、冷媒経路３３が形成される。また、冷媒供給用連通孔１６の内面には、絶縁被覆２１が形成され、さらに冷媒経路３３と冷媒供給用連通孔１６とを繋ぐ冷媒導入部分３５（ブリッジ部）の内面にも絶縁被覆２３および２５が形成され、絶縁部３４が構成されている。絶縁被覆２３および２５が形成されることで、冷媒導入部３５がセパレータ材料を冷媒から電気的に絶縁する絶縁部３４として構成される。なお、符号３７は、気密性を確保するためのガスケットである
【００４７】
本実施形態においては、冷媒導入部分３５の全体が絶縁部３４となっているが、絶縁部３４は、冷媒導入部分３５の一部に形成されていてもよい。また、絶縁部をさらに複数に分割して配置してもよい。
【００４８】
２．実施形態の製造例
次に実施形態を製造する手順および材料について、具体例を挙げて説明する。
【００４９】
（ＭＥＡ１の製造手順）
まず、表面に白金触媒を担持したカーボン粉末を用意し、このカーボン粉末を高分子電解質のアルコール溶液中に分散させ、高分子電解質スラリーを得た。他方で、ガス拡散電極となる厚さ２００μｍのカーボンペーパーをポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の水性ディスパージョンに浸し、それを乾燥および熱処理して撥水性の多孔質電極基材を得た。
【００５０】
そして、前述の多孔質電極基材の片面に、前述の高分子電解質スラリーを塗布し、更に乾燥させることで、片面に高分子電解質による電極反応層を有するガス拡散電極を得た。このガス拡散電極を２枚用意し、電極反応層同士を内側にして、間に電解質の層を挟み、さらに１１０℃で３０秒間のホットプレスを行ってＭＥＡを得た。
【００５１】
ガス拡散電極を構成する部材としては、カーボンペーパーの他に、可撓性を有するカーボン繊維を織ったカーボンクロス、カーボン繊維とカーボン粉末を混合し、有機バインダーを加えて成形したカーボンフェルト等を用いることができる。
【００５２】
（セパレータの製造手順）
次に、アノード側セパレータ２とカソード側セパレータ３の製造手順について説明する。ここでは、アノード側セパレータ２とカソード側セパレータ３とを同じ材料で製造する場合を説明する。ここでは、下記表１に示す組成の０．２ｍｍ厚のステンレス鋼板にプレス加工を施し、図２に示す形状のアノード側セパレータ２とカソード側セパレータ３を得た。
【００５３】
【表１】
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【００５４】
そして、冷媒供給用連通孔１６および冷媒排出用連通孔１７の内側（冷媒と接触する部分）、さらに冷媒導入部分および冷媒排出部分の溝内部に厚さ０．５ｍｍのシリコーンゴムによる被覆を形成した。この被覆により、セパレータ材料と冷媒との電気的な絶縁が確保される。上記シリコーンゴムによる被覆により、図３に示す冷媒導入部分３５が絶縁部として構成される。また図示しないが、同様な構造で冷媒排出部が絶縁部として構成される。
【００５５】
（燃料電池の製造手順）
まず、上述した手順で製造したＭＥＡを電極面積が２００ｃｍ２となるように切断加工した。次に、この所定の寸法に加工したＭＥＡを、その周囲にガスシール材となるシリコーンゴム製のガスケット（図１または図３の符号３０に相当）を配置した状態で、アノード側セパレータ（図１の符号２に相当）とカソード側セパレータ（図１の符号３に相当）とで挟み込み、単位発電セルとし、さらにそれを１００セル積層した積層体を得た。そして、積層体の両端に銅製集電板を配置し、さらにその外側に絶縁材を介して一対のステンレス鋼板を配置し、この２枚のステンレス鋼板をボルトで１５ｋｇ／ｃｍ２の圧力で締付けることで、燃料電池を得た。
【００５６】
３．試作した燃料電池の試験について
上述した手順で製造した燃料電池において、供給および排出用の冷媒連通孔の断面積、各セルにおける冷媒導入部および冷媒排出部の長さ（沿面距離）、および冷媒の導電率を下記表２に示すように各種の組み合わせで用意し、１０００時間の耐久運転試験を行った。
【００５７】
【表２】
2005222764.tif 000004
【００５８】
耐久運転試験は、燃料ガスとして高純度の水素ガス、酸化剤ガスとして空気を用いて行った。また、水素ガスの供給圧力は０．１ｋｇｆ／ｃｍ２とし、排気側は大気開放とし、空気の供給圧力は０．０５ｋｇｆ／ｃｍ２とし、やはり排気側は大気開放とした。ガス利用率は、水素側で７０％、空気側で４０％とした。冷媒は表２に示す導電率の３０％エチレングリコール水溶液を総量２０リットル循環させて使用した。冷媒は熱交換器で冷却され、その冷却効率と循環速度を調整することで、運転時の電池温度を７５℃に維持するようにした。
【００５９】
ガス利用率とは、発電される電力の電流密度が０．３Ａ／ｃｍ２である時に、電極反応に利用されるガスの割合を示す指標である。
【００６０】
表２において、冷媒連通孔における換算抵抗とは、１本の連通孔（連通孔は供給用と排出用に２本配置されている）の１セル当たりの長さにおける液抵抗である。この１セル当たりの液抵抗は、図３でいうと単位発電セル３１および３２の厚み方向の寸法における連通孔内に存在する冷媒が示す電気抵抗となる。冷媒連通孔における換算抵抗は、冷媒の初期導電率、連通孔の断面積、セル厚から算出される。
【００６１】
また、冷媒導入・排出部における換算抵抗とは、冷媒導入部（図３の符号３５の部分）および冷媒排出部における冷媒が示す液抵抗の合計値である。冷媒導入・排出部における換算抵抗は、冷媒の初期導電率、冷媒導入部および冷媒排出部の断面積、冷媒導入部および冷媒排出部の長さ（沿面距離）から算出される。なお、セパレータの冷媒経路の他端には、冷媒導入部と同じ構造の冷媒排出部が設けられているが、この冷媒排出部は冷媒導入部と同じ構造、同じ寸法設定とした。上記の条件で行った耐久運転試験の前後における導電率を表３に示す。
【００６２】
【表３】
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【００６３】
表２および表３から明らかように、セパレータに絶縁部を設けない場合、つまり絶縁被覆された冷媒導入部および冷媒排出部を設けない場合、耐久運転試験後の冷媒の導電率が著しく上昇する。これは、絶縁部が存在することによる腐食電流の抑制効果が得られないからである。なお、冷媒導電率の増加率は、冷媒の耐久試験前の導電率をＡ、耐久試験後の導電率をＢとした場合に、（（Ｂ／Ａ）−１）×１００で算出した。
【００６４】
一方で、冷媒導入・排出部の液抵抗が０．２ＭΩ程度あれば、冷媒の導電率の上昇はかなり抑えられることが分かる。このことから、絶縁被覆を形成した冷媒導入部および冷媒排出部を設ける効果が確認される。
【００６５】
また、冷媒導入・排出部の液抵抗を大きくした方が、耐久運転試験の前後における冷媒の導電率の上昇が小さくなる傾向が見て取れる。なお、実施例Ａ９の冷媒導電率の上昇割合がやや大きいのは、初期の導電率が小さいために、セパレータ材料の腐食以外の要因による導電率上昇の影響が強く表れているからである。
【００６６】
また、表２および表３からは、冷媒連通孔の断面積を調整し、１セル当たりの冷媒連通孔の液抵抗を利用する効果も確認できる。たとえば、実施例Ａ２と比較例Ｂ１とを比較した場合、両者の冷媒導・排出部の液抵抗は同じであるのに、冷媒の導電率の上昇割合は４倍以上も比較例Ｂ１の方が大きい。実施例Ａ２は、初期の冷媒導電率が低いので、腐食以外の要因による導電率の上昇の影響が大きく、比較例Ｂ１よりも不利な条件であるが、冷媒の導電率の上昇割合は比較例Ｂ１に比較して１／４以下である。これは、実施例Ａ２における冷媒連通孔の１セル当たりにおける液抵抗が比較例Ｂ１に比較して３０倍も大きく設定されているからである。
【００６７】
４．等価回路による解析
図１〜３に示す基本構造を有する燃料電池の冷媒を介して流れる腐食電流は、以下に説明する等価回路によって解析することができる。図４は、実施形態を利用して構成した燃料電池の冷媒に着目した等価回路である。図４に示す例では、１Ｖの電圧を発生する単位発電セルを２２０個直列に積層した燃料電池の例が示されている。
【００６８】
図４に示す等価回路において、ＲＡは、各セルのセパレータにおける冷媒経路の両端に形成された冷媒導入部および冷媒排出部の液抵抗の合計値である。ＲＢは、１セル当たりにおける冷媒供給用連通孔の液抵抗である。
【００６９】
図５は、冷媒連通孔内面の絶縁被覆を形成しない場合、つまり図４の等価回路において、ＲＢ＝０である場合におけるセルの位置とセパレータの冷媒経路に流れる腐食電流との関係を調べたデータプロット図である。
【００７０】
図５に示すように、多数のセルを積層した構造では、低電位側（セル１またはセル１に近い側セル）のセルでは、冷媒経路中を防食電流が流れ、高電位側（セル２２０またはセル２２０に近い側セル）では、冷媒経路中を腐食電流が流れる。
【００７１】
図６は、セルの積層数と燃料電池内を流れる腐食電流との関係を示す線図である。図６においてデータ（１）は、表２の実施例Ａ７に示す条件で構成した単位発電セルを用いた燃料電池において、冷媒連通孔（冷媒供給用連通孔および冷媒排出用連通孔）における絶縁被覆の形成を行わない場合を想定し、セルの積層数と燃料電池の正極と負極との間を流れる腐食電流の関係を、図４に示す等価回路モデルに基づいて求めたシミュレーションデータである。
【００７２】
データ（２）は、表２の実施例Ａ７に示す条件で構成した単位発電セルを用いた燃料電池におけるセルの積層数と燃料電池内を流れる腐食電流の総量との関係を求めた実測データである。
【００７３】
データ（３）は、表２の実施例Ａ７に示す条件で構成した単位発電セルを用いた燃料電池におけるセルの積層数と燃料電池内を流れる腐食電流の総量との関係を、図４に示す等価回路モデルに基づいて求めたシミュレーションデータである。
【００７４】
図６から分かるように、冷媒連通孔内に絶縁被覆を形成することで、燃料電池内を流れる腐食電流を大きく抑制することができる。特に、積層するセルの数が５０を越えるあたりからその効果が顕著なること、さらに積層するセルの数が１００を越える構造とする場合に腐食電流の抑制効果が極めて大きくなることが分かる。また、実測データ（２）とシミュレーションデータ（３）との精度の良い一致から、図４の等価回路の妥当性が理解される。
【００７５】
各セルを貫通する冷媒連通孔の内面を冷媒から電気的に絶縁する効用は、図４の等価海路を用いて説明することができる。すなわち、腐食電流は、積層された各セルに加わる１Ｖの電圧の積算電位差（図４のモデルの場合、最大で２２０Ｖ）をドライビング・フォースとして発生するのであるが、ＲＢがなくＲＡだけである場合、ＲＡのみがこの電位差の負荷となるので、ＲＢが存在する場合に比較して、より多くの腐食電流が流れてしまう。これに対して、ＲＢがある程度の値で存在すると、ＲＢも負荷となるので、その液抵抗により加わる電圧が分圧され、絶縁されていないセパレータ部分に加わる電位が小さくなる。これにより、絶縁されていないセパレータ部分に流れる腐食電流を抑制することができる。
【００７６】
特にセルの積層数が多い場合、ＲＢの値が小さくても、高電位側のセルにおいては、ＲＢとセルの積層数との積の値が効いてくるので、図５に示すような特に高電位側のセルで問題になる腐食電流の発生を抑える効果が大きくなる。このことは、図６に示されるように、セルの積層数がある程度以上の場合に、ＲＢを設ける効果が顕著に得られる点にも現れている。
【００７７】
以下、ＲＢを設けることによる作用効果についてより詳細な説明を加える。まず、上述の表２および表３に示すデータを整理すると、下記表４が得られる。
【００７８】
【表４】
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【００７９】
表４において、両端間の換算液抵抗Ｒ１というのは、多数積層された（この場合は１００セル）セルを貫通した冷媒連通孔の構造において、セル１つ当たりの冷媒連通孔が示す抵抗値の燃料電池全体における積算値である。例えば、セル１つ当たりにおける冷媒連通孔が示す液抵抗がＲＢであり、セルの積層枚数が２２０である場合、Ｒ１＝２２０×ＲＢとなる。
【００８０】
表４から明らかなように、セル１つあたりの冷媒連通孔の液抵抗が小さくても、多数のセルが積層された燃料電池単位で見れば、積算された連通孔の液抵抗は、セパレータ部分の絶縁部の液抵抗に匹敵する値となる。
【００８１】
表４は、燃料電池における連通孔の両端間における液抵抗が、セパレータ部分の絶縁部の液抵抗に匹敵する程度になった場合に、連通孔を絶縁し液抵抗を持たせる効果が顕著に得られることを示しているともいえる。
【００８２】
表４から、冷媒供給用の冷媒連通孔の両端間における液抵抗Ｒ１と絶縁部における液抵抗Ｒ２との関係を（Ｒ１／Ｒ２）＝０．１〜３程度の範囲にした場合に、冷媒の導電率を抑制することができることが結論される。
【００８３】
なお、比較例Ｂ１およびＢ２においても（Ｒ１／Ｒ２）＝０．１〜３の範囲が満たされているが、比較例Ｂ１は、冷媒連通孔の液抵抗が０．５ｋΩと小さすぎ、そのため表３に示すように、耐久試験の前後における冷媒の導電率の増加が大きくなっており、好ましくない。また、比較例Ｂ１は、初期の冷媒の導電率を３０μＳ／ｃｍと大きくすることで、冷媒連通孔と冷媒導・排出部の液抵抗を下げており、冷媒の絶縁性を大きく犠牲にしている点で好ましくない。
【００８４】
また、比較例Ｂ３は、冷媒導・排出部の液抵抗が小さすぎ、この液抵抗を実現するために、初期における冷媒の導電率を許容できない程度に大きくしているので好ましくない。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明は、セパレータの腐食に起因する性能低下を抑えた燃料電池に利用することができる。また、動作中における冷媒の汚染を抑えた燃料電池に利用することができる。本発明を利用した燃料電池は、小型、軽量、低コストで高効率であり、また性能低下が少なく、モータ駆動の自動車のエネルギー源として利用するのに好適である。勿論、本発明は、各種の電気エネルギーの発生源として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】実施形態の単位発電セルの断面構造を示す断面図である。
【図２】セパレータの構造を示す平面図である。
【図３】単位発電セルを積層した構造における冷媒連通孔付近の断面構造を示す断面図である。
【図４】冷媒を媒体とした電流経路を示す等価回路図である。
【図５】積層されたセルの位置と腐食電流との関係を示すデータプロット図である。
【図６】セルの積層数と燃料電池を流れる腐食電流との関係を示す線図である。
【符号の説明】
【００８７】
１…ＭＥＡ(Membrane Electrode Assembly)、２…アノード側セパレータ、３…カソード側セパレータ、４…冷媒経路、１１…燃料ガスを流すための溝、１２…燃料ガス供給用連通孔、１３…燃料ガス排出用連通孔、１４…酸化剤ガス供給用連通孔、１５…酸化剤ガス排出用連通孔、１６…冷媒供給用連通孔、１７…冷媒排出用連通孔、１８…酸化剤となるガスを流すための溝、１９…冷媒を流すための溝、２０…冷媒を流すための溝、２１…絶縁被覆、２２…絶縁被覆、２３…絶縁被覆、２４…絶縁被覆、２５…絶縁被覆、２６…絶縁被覆、３０…ガスケット、３１…単位発電セル、３２…単位発電セル、３３…冷媒経路、３４…絶縁部、３５…冷媒導入部分、３７…ガスケット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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